DE102008021973A1

DE102008021973A1 - Fahrzeug- Lenksystem der by-wire-Bauart

Info

Publication number: DE102008021973A1
Application number: DE102008021973A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Bootz; Norbert Dr. Nitzsche
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2009-11-05
Also published as: US20110094820A1; CN102015415A; WO2009132744A1; EP2271538A1; US8162095B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Lenksystem der by-wire-Bauart ohne mechanischem Durchtrieb zwischen einem Lenkrad des Fahrers und einem eine vom Fahrer über das Lenkrad vorgegebene Verschwenkbewegung zumindest eines lenkbaren Fahrzeug-Rades initier Lenkrad-Vorgabe angesteuerter Aktuator vorgeschaltet ist, weiterhin mit einem auf das Lenkrad einwirkenden Lenkmoment-Simulator sowie einer hydraulischen Rückfallebene mit einer an das Lenkrad gekoppelten Hydraulik-Fördereinheit sowie einer an das genannte Lenk-Getriebe gekoppelten Hydraulik-Stelleinheit, über welche bei Ausfall des Aktuators durch eine in einem Hydraulikkreis dann wirksam geschaltete hydraulische Verbindung zwischen der Hydraulik-Fördereinheit und der Hydraulik-Stelleinheit ein mit dem Lenkrad vorgegebener Rad-Lenkeinschlag hergestellt wird. Dabei ist ein Endanschlag für die Drehbewegung des Lenkrads durch den Hydraulikkreis realisierbar, indem bei Erreichen dieser Endanschlag-Position das von der Hydraulik-Fördereinheit geförderte Hydraulik-Medium im Hydraulikkreis im Wesentlichen nicht umwälzbar ist. Somit kann ein elektromotorischer Lenkmoment-Simulator nur ein geringes Maximal-Moment in der Größenordnung von 7 bis 10 Newtonmeter bereitstellen. Beispielsweise ist hierzu in jeder von der nach Art einer Reversierpumpe ausgebildeten Hydraulik-Fördereinheit beidseitig abgehenden Hydraulikleitung ein stromlos offenes Sperrventil vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Lenksystem der by-wire-Bauart ohne mechanischem Durchtrieb zwischen einem Lenkrad (allgemein: einer Lenkhandhabe) des Fahrers und einem eine vom Fahrer über das Lenkrad vorgegebene Verschwenkbewegung zumindest eines lenkbaren Fahrzeug-Rades initiierenden Lenk-Getriebe, dem ein mit Signalen aus der Lenkrad-Vorgabe angesteuerter Aktuator vorgeschaltet ist, weiterhin mit einem auf das Lenkrad einwirkenden Lenkmoment-Simulator sowie einer hydraulischen Rückfallebene mit einer an das Lenkrad gekoppelten Hydraulik-Fördereinheit sowie einer an das genannte Lenk-Getriebe gekoppelten Hydraulik-Stelleinheit, über welche bei Ausfall des Aktuators durch eine in einem Hydraulikkreis dann wirksam geschaltete hydraulische Verbindung zwischen der Hydraulik-Fördereinheit und der Hydraulik-Stelleinheit ein mit dem Lenkrad vorgegebener Rad-Lenkeinschlag hergestellt wird. Zum bekannten Stand der Technik wird neben der DE 198 01 393 C1 und der EP 1 213 205 B1 insbesondere auf die DE 198 38 490 A1 verwiesen.
Die sog. Steer-by-Wire-Systeme, bei denen der vom Fahrer eines Fahrzeugs am Lenkrad oder dergleichen (anstelle eines Lenkrads kann auch ein sog. Sidestick oder anderes als Lenkhandhabe vorgesehen sein – im weiteren wird der Einfachheit halber nur vom Lenkrad gesprochen) eingestellte Lenkwunsch den lenkbaren Fahrzeugrädern nicht auf direktem mechanischen Wege, nämlich wie bei den heute üblichen Fahrzeugen über die sog. Lenksäule oder Lenkspindel sowie ein daran gekoppeltes Lenkgetriebe (bspw. Zahnstangenlenkgetriebe) übermittelt wird, sondern auf elektrischem oder hydraulischem Weg, sind hinsichtlich der Anordnungsmöglichkeiten für die Systembestandteile im Fahrzeug vorteilhaft. Da jedoch der genannte Aktuator, der angesteuert von Signalen der Lenkradvorgabe die lenkbaren Räder verschwenkt, ausfallen kann, ist eine sog. Rückfallebene vorzusehen, welche im Hinblick auf eine erwünschte Bauraum-Flexibilität zumeist hydraulisch ausgebildet ist und die im Oberbegriff des Anspruchs 1 hierzu aufgelisteten Merkmale, nämlich eine an das Lenkrad gekoppelte Hydraulik-Fördereinheit sowie eine an das genannte Lenk-Getriebe gekoppelte Hydraulik-Stelleinheit sowie einen diese beiden Einheiten hydraulisch miteinander verbindenden Hydraulikkreis aufweist.
Weiterhin benötigt ein Steer-by-Wire-System einen sog. Lenkmoment-Simulator, mit Hilfe dessen an das Lenkrad ein dem vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoment entgegen gerichtetes Moment angelegt werden kann, um dem Fahrer ein übliches Lenkgefühl und somit quasi einen haptischen Kontakt zur Fahrbahn zu vermitteln. Insbesondere ist auch ein Endanschlag für die Drehbewegung des Lenkrads (bzw. allgemein für die Verstellbewegung der Lenkhandhabe) vorzusehen, welcher dem maximalen Einschlagwinkel der lenkbaren Fahrzeug-Räder entspricht. Dieser Endanschlag wird üblicherweise durch den genannten Lenkmoment-Simulator dargestellt, indem ein diesen bildender Elektromotor bei Erreichen des Endanschlags ein derart hohes Gegenmoment zum vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoment an das Lenkrad anlegt, dass der Fahrer das Lenkrad nicht weiter verdrehen kann. Dies bedingt jedoch die Verwendung eines leistungs- bzw. drehmomentstarken Elektromotors für den Lenkmoment-Simulator, was nicht nur aufwändig ist, sondern darüber hinaus einer im üblichen Lenk-Betrieb in wünschenswerter Weise fein dosierten Abgabe eines erheblich geringeren Gegenmoments abträglich ist.
Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Fahrzeug-Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Endanschlag für die Drehbewegung des Lenkrads (allgemein: für die Verstellbewegung der Lenkhandhabe) durch den Hydraulikkreis realisierbar ist oder realisiert wird, indem bei Erreichen dieser Endanschlag-Position das von der Hydraulik-Fördereinheit geförderte Hydraulik-Medium im Hydraulikkreis im wesentlichen nicht umwälzbar ist.
Es wird somit vorgeschlagen, die an das Lenkrad gekoppelte Hydraulik-Fördereinheit zur Erzeugung des Lenkrad-Endanschlages zu nutzen, indem mit Erreichen dieses Endanschlages dem von der besagten Fördereinheit geförderten Hydraulikmedium ein derart hoher bzw. unendlich großer Strömungswiderstand entgegengesetzt wird, dass die Fördereinheit quasi blockiert und das Lenkrad somit nicht weiter verdreht werden kann. In diesem Sinne ist es möglich, in jeder von der beispielsweise nach Art einer Reversierpumpe ausgebildeten Hydraulik-Fördereinheit beidseitig abgehenden Hydraulikleitung ein stromlos offenes Sperrventil vorzusehen, welches zumindest im wesentlichen geschlossen wird, wenn der Endanschlag des Lenkrads erreicht ist bzw. dargestellt werden soll. Damit fördert die durch eine Verdrehbewegung des Lenkrads aktivierte Hydraulik-Fördereinheit gegen einen sehr hohen und bei vollständigem Schließen dieser Sperrventile unendlich hohen Widerstand, wodurch ein weiteres Verdrehen des Lenkrads praktisch ausgeschlossen ist. Vorteilhafterweise kann mit einer solchen Ausgestaltung auch eine Fahrzeug-Diebstahlsicherung realisiert sein, indem mit Abstellen des Fahrzeugs gleichfalls ein unendlich hoher Strömungswiderstand gegen die besagte an das Lenkrad bzw. an eine Drehbewegung desselben gekoppelte Hydraulik-Fördereinheit eingestellt wird. Zurückkommend auf die Erzeugung eines Endanschlags für die Lenkrad-Drehbewegung kann jedem Sperrventil ein zur Hydraulik-Fördereinheit hin öffnendes Rückschlagventil parallel geschaltet sein, um mit Erreichen des Lenkrad-Endanschlags eine schnelle Rück-Drehbewegung des Lenkrads (vom Endanschlag weg) zu ermöglichen.
Die soweit erläuterten Sperrventile sind zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen Lenkrad-Endanschlags aber nicht zwingend erforderlich. Vielmehr kann letzterer auch erhalten werden, wenn kurz vor Erreichen der entsprechenden Endanschlag-Position die erläuterte und aus Sicherheitsgründen vorhandene Rückfallebene aktiviert wird. Über diese ist eine hydraulische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den lenkbaren Rädern, für die bzw. für deren Verschwenkbewegung letztlich ein mechanischer Endanschlag bspw. im eingangs genannten, die Verschwenkbewegung initiierenden Lenk-Getriebe vorgesehen ist, herstellbar. Wenn dann der mechanische Endanschlag für die lenkbaren Räder erreicht wird, so wird dieser über die zugeschaltete Rückfallebene bzw. über den (ebenfalls bereits genannten) zugehörigen Hydraulikkreis an das Lenkrad übertragen bzw. es wirkt der besagte mechanische Endanschlag für die lenkbaren Räder quasi direkt auf das Lenkrad ein. Im übrigen spürt der Fahrer mit Zuschaltung der Rückfallebene auch kurz vor Erreichen des mechanischen Endanschlags der lenkbaren Räder einen etwas erhöhten Widerstand, so dass er hierdurch vorteilhafterweise auf den bevorstehenden tatsächlichen Endanschlag hingewiesen wird.
Wenn erfindungsgemäß der Lenkrad-Endanschlag durch den Hydraulikkreis der Rückfallebene realisiert ist, so muss der für die üblichen Lenkvorgänge abseits des Endanschlags vorgesehene Lenkmoment-Simulator nur noch betragsmäßig relativ geringe Gegenmomente (zum vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoment oder Handmoment) an das Lenkkrad anlegen, so dass es ausreichend ist, wenn der Lenkmoment-Simulator, der beispielsweise bzw. vorzugsweise durch einen Elektromotor gebildet sein kann, nur ein geringes Maximal-Moment in der Größenordnung von 7 bis 10 Newtonmeter bereitstellen muss. Hierdurch wird sowohl der erforderliche Aufwand (bspw. hinsichtlich der Kosten) für diesen Lenkmoment-Simulator reduziert als auch dessen Dosierbarkeit und Reaktionsgeschwindigkeit gesteigert.
Bestandteil des besagten Hydraulikkreises, welcher die an das Lenkrad gekoppelte Hydraulik-Fördereinheit mit der an das die Verschwenkbewegung der lenkbaren Räder initiierende Lenk-Getriebe gekoppelten Hydraulik-Stelleinheit verbinden kann, kann ein sog. Fail-Safe-Ventil sein, welches in seiner gezielt geschalteten, bestromten Offen-Position die beiden Seiten der nach Art einer Reversierpumpe ausgebildeten Hydraulik-Fördereinheit sowie die beiden Seiten der nach Art eines hydraulischen Reversiermotors ausgebildeten Hydraulik-Stelleinheit jeweils miteinander verbindet, während in dessen stromloser Schließposition die genannte Rückfallebene aktiv geschaltet ist. Diesem Fail-Safe-Ventil kann ein weiteres die beiden Seiten der Hydraulik-Fördereinheit verbindendes Ventil im Hydraulikkreis parallel geschaltet sein, welches bei Abstellen des Fahrzeugs in seine Offenposition gebracht wird, in der zumindest die beiden Seiten der an das Lenkrad gekoppelten Hydraulik-Fördereinheit hydraulisch miteinander verbunden sind, so dass hierdurch eine Diebstahlsicherung realisiert ist.
Weitere vorteilhafte Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele hervor, wobei in den beigefügten einzelnen Figuren jeweils Prinzip-Darstellungen eines erfindungsgemäßen Fahrzeug-Lenksystems gezeigt sind und in sämtlichen Figuren gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind.
So trägt ein vom Fahrer des Fahrzeugs zu betätigendes Lenkrad die Bezugsziffer 1. In die mit diesem verdrehfest verbundene Lenksäule 2 ist ein Drehwinkelsensor 3 und gegebenenfalls, d. h. nur in einigen der Ausführungsbeispiele, ein Drehmomentsensor 4 integriert, mit denen der vom Fahrer mit seinem Lenkrad 1 vorgegebene Lenkwinkel und ggf. das vom Fahrer am Lenkrad 1 vorgegebene Lenkmoment bzw. Handmoment erfasst werden kann bzw. können. Ebenfalls nur in einigen der Ausführungsbeispiele ist in der Lenksäule 2 ein Untersetzungsgetriebe 5 in Form eines Planetengetriebes vorgesehen, ehe bei den meisten der Ausführungsbeispiele ein auf die Lenksäule 2 einwirkender Lenkmoment-Simulator 6 folgt. Schließlich ist am dem Lenkrad 1 gegenüberliegenden Ende der Lenksäule 2 eine Hydraulik-Fördereinheit 7 in Form einer hydraulischen Reversierpumpe vorgesehen, die mit einer Drehbewegung des Lenkrads 1 je nach Drehrichtung ein Hydraulikmedium in einem lenkradseitigen Teil 8 eines Hydraulikkreises nach der einen oder anderen Seite fördert, d. h. in eine der beiden mit der Bezugsziffer 8 gekennzeichneten Hydraulik-Leitungen.
Die beiden lenkbaren Räder 20 (= Vorderräder) des zweispurigen Fahrzeugs sind in grundsätzlich bekannter Weise über Spurhebel und Spurstangen 18 verschwenkbar und somit lenkbar, wobei diese Spurstangen 18 an eine quer zur Fahrzeuglängsrichtung verlagerbare Stange 14 eines Lenk-Getriebes 19 angelenkt sind. Dieses Lenk-Getriebe 19 ist in verschiedenen Ausführungsbeispielen unterschiedlich ausgebildet, worauf an späterer Stelle noch eingegangen wird. Gemeinsam ist diesbezüglich sämtlichen Ausführungsbeispielen, dass das Lenk-Getriebe 19 mittels eines elektromotorischen Aktuators 9, 10 bzw. 9, 10', worauf ebenfalls später noch näher eingegangen wird, derart betätigbar bzw. beaufschlagbar ist, dass dieses Lenk-Getriebe 19 die gewünschte Verschwenkbewegung der lenkbaren Räder 20 initiiert. In diesem Sinne wird der genannte Aktuator 9, 10 bzw. 10', genauer ein Elektromotor 9 desselben, von einer elektronischen Steuereinheit 17 anhand der Signale des mit dem Lenkrad 1 verbundenen Drehwinkelsensors 3 und/oder Drehmomentsensors 4, welche eine Lenkvorgabe des Fahrers wiedergeben, angesteuert. Ein (gegebenenfalls redundant) vorhandener Wegsensor 16 übermittelt hierbei der elektronischen Steuereinheit 17 die Position dieser genannten Getriebe-Stange 14 des Lenk-Getriebes 19.
Falls der elektromotorische Aktuator 9, 10 bzw. 10' und insbesondere der mit der Bezugsziffer 9 gekennzeichnete Elektromotor desselben ausfallen sollte, muss das Fahrzeug weiterhin lenkbar sein, wofür eine sog. Rückfallebene vorgesehen ist, die unter anderem durch den bereits genannten lenkradseitigen Teil 8 eines Hydraulikkreises sowie einen über ein sog. Fail-Safe-Ventil 15 mit diesem geeignet verbindbaren lenkgetriebeseitigen Teil 12 eines Hydraulikkreises gebildet wird, der seinerseits auf eine hydraulische Stelleinheit 13 einwirkt, welche das Lenk-Getriebe 19 betätigt oder in einer alternativen Ausführungsform durch das Lenk-Getriebe 19 selbst gebildet ist. Stets kann jedoch der lenkgetriebeseitige Teil 12 des Hydraulikkreises (der Rückfallebene) über die Hydraulik-Stelleinheit 13 derart (auf das Lenk-Getriebe 19 ein-)wirken, dass bei Verbindung des lenkradseitigen Teils 8 mit dem lenkgetriebeseitigen Teil 12 des besagten Hydraulikkreises die lenkbaren Räder 20 entsprechend der Lenkvorgabe am Lenkrad 1 gelenkt werden. Im Sinne einer Herstellung oder Aktivierung der Rückfallebene können die beiden genannten Teile 8, 12 des besagten Hydraulikkreises über das Fail-Safe-Ventil 15 geeignet miteinander verbunden werden, wobei dieses Fail-Safe-Ventil 15 derart gestaltet ist, dass es im nicht bestromten Zustand die Verbindung zwischen den beiden Teilen 8, 12 des besagten Hydraulikkreises und somit auch eine hydraulische Verbindung zwischen der Hydraulik-Fördereinheit 7 und der Hydraulik-Stelleinheit 13 herstellt. Mit dieser Verbindung (und somit mit einer solchen Aktivierung der Rückfallebene) kann auch ein Endanschlag für die Drehbewegung des Lenkrads 1 hergestellt werden, welcher dem üblichen und auch hier selbstverständlich vorhandenen mechanischen Endanschlag für die Verschwenkbewegung der lenkbaren Räder entspricht. Eine entsprechende Darstellung des Endanschlages der Lenkrad-Drehbewegung ist alternativ auch nur durch den lenkradseitigen Teil 8 des besagten Hydraulikkreises möglich, wie die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, auf welche nun detaillierter eingegangen wird, zeigen.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 4 und 7 ist die Hydraulik-Fördereinheit 7 nach Art einer Reversierpumpe ausgebildet und bei den Ausführungsbeispielen nach den 5, 6 als Gleichgang-Zylinder-Kolben-Einheit. Bei den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 5 und 7 ist der Lenkmoment-Simulator 6 durch einen Elektromotor gebildet, während das Ausführungsbeispiel nach 6 lediglich einen „impliziten” Lenkmoment-Simulator enthält, worauf später noch näher eingegangen wird.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den 1–3 ist ein Bestandteil des mit Signalen aus der Lenkrad-Vorgabe angesteuerten Aktuators 9, 10 ein Elektromotor 9, der über ein insbesondere als endloses Zugmittelgetriebe ausgebildetes Zwischengetriebe 10, welches ebenfalls Bestandteil des genannten Aktuators 9, 10 ist, auf das als Kugelgewindetrieb mit zugeordneter quer zur Fahrzeug-Längsachse verlagerbarer Gewinde-Stange 14 ausgebildete Lenk-Getriebe 19 einwirkt. Dabei ist die als Rückfallebene fungierende Hydraulik-Stelleinheit 13 als hydraulischer Reversiermotor ausgebildet, der ebenfalls auf das Zwischengetriebe 10 einwirkt bzw. über dieses Zwischengetriebe 10 und den bereits genannten Kugelgewindetrieb die Gewinde-Stange 14 des Lenk-Getriebes 19 seitlich verlagern kann. Bei den Ausführungsbeispielen nach den 4–6 schließlich ist der mit Signalen aus der Lenkrad-Vorgabe angesteuerte Aktuator 9, 10 als eine von einem Elektromotor 9 angetriebene Hydraulikpumpe 10' ausgebildet, die hier über das Fail-Safe-Ventil 15, allgemein jedoch über ein beliebiges Stellventil, sowie über Hydraulikleitungen 31 mit dem als Zylinder-Kolbeneinheit mit einer quer zur Fahrzeug-Längsachse verlagerbaren Kolben-Stange 14 ausgebildeten Lenk-Getriebe 19 hydraulisch verbindbar ist. Dabei wird die Hydraulik-Stelleinheit 13 der besagten Rückfallebene durch das Lenkgetriebe 19 selbst, d. h. durch die genannte Zylinder-Kolbeneinheit mit quer zur Fahrzeug-Längsachse verlagerbarer Kolbenstange gebildet und ist über ein Stellventil bzw. das genannte Fail-Safe-Ventil 15 mit der Hydraulik- Fördereinheit 7 verbindbar. Das weitere Ausführungsbeispiel nach 7 kann annähernd als eine Kombination der Ausführungsbeispiele nach den 1 und 4 bezeichnet werden und wird an späterer Stelle noch ausführlicher erläutert.
Im weiteren auf das Ausführungsbeispiel nach 1 Bezug nehmend sind in der dargestellten Position des Fail-Safe-Ventils 15, in der die beiden von den beiden Seiten der Hydraulik-Fördereinheit 7 bzw. von der Hydraulik-Stelleinheit 13 abgehenden Hydraulikleitungen jeweils miteinander verbunden und somit sowohl der lenkradseitige Teil 8 des besagten Hydraulikkreises der Rückfallebene als auch der lenkgetriebeseitige Teil 12 des besagten Hydraulikkreises der Rückfallebene jeweils quasi kurz geschlossen sind, diese beiden Teile 8, 12 des Hydraulikkreises der Rückfallebene praktisch funktional voneinander getrennt. Eine Lenkvorgabe des Fahrers an seinem Lenkrad 1 wird somit anhand der Signale des Drehwinkelsensors 3 in der elektronischen Steuereinheit 17 ausgewertet, woraufhin der Elektromotor 9 des Aktuators 9, 10 derart angesteuert wird, dass die Gewinde-Stange 14 des Lenk-Getriebes 19 entsprechend verlagert wird und die lenkbaren Räder 20 der Lenkvorgabe entsprechend verstellt werden. Solange ein selbstverständlich vorhandener, figürlich jedoch nicht gezeigter Endanschlag für die Verschwenkbewegung der lenkbaren Räder nicht erreicht ist, wird dem Fahrer an seinem Lenkrad 1 mittels des hier elektromotorischen Lenkmoment-Simulators 6, der ebenfalls von der elektronischen Steuereinheit 17 angesteuert wird, ein geeignetes Gegenmoment zu dem von ihm aufgebrachten Handmoment oder Lenkmoment gestellt. Der Endanschlag für die Drehbewegung des Lenkrads 1, der dem mechanischen Endanschlag für die Verschwenkbewegung der lenkbaren Räder 20 entspricht, wird hingegen auf hydraulischem Wege erzeugt. Hierzu wird mit Annäherung an den besagten Endanschlag das Fail-Safe-Ventil 15 angesteuert durch die elektronische Steuereinheit 17 in seine andere (figürlich nicht dargestellte) Position gebracht, wodurch der lenkradseitige Teil 8 des Hydraulikkreises der Rückfallebene mit dem lenkgetriebeseitigen Teil 12 dieses Hydraulikkreises verbunden wird, so dass zunächst für den Fahrer ein stärkeres Moment am Lenkrad 1 spürbar ist, nachdem eine Verbindung zwischen der Hydraulik-Fördereinheit 7 und der Hydraulik-Stelleinheit 13 hergestellt ist. Insbesondere ist jedoch dann, wenn kein weiteres Verschwenken der lenkbaren Räder 20 und somit keine weitere Verlagerung der Gewinde-Stange 14 des Lenk-Getriebes 19 mehr möglich ist, aufgrund der dann quasi blockierenden Hydraulik-Stelleinheit 13 jegliches Umwälzen von Hydraulikmedium im besagten Hydraulikkreis (der Rückfallebene) ausgeschlossen. Hierdurch wird ein weiteres Verdrehen des mit der Hydraulik-Fördereinheit 7 drehfest verbundenen Lenkrads 1 zwangsläufig verhindert.
Das Ausführungsbeispiel nach 2 ist in vielen Merkmalen demjenigen nach 1 ähnlich; abweichend hiervon ist jedoch in jeder von der nach Art einer Reversierpumpe ausgebildeten Hydraulik-Fördereinheit 7 beidseitig abgehenden Hydraulikleitung ein stromlos offenes Sperrventil 11 vorgesehen, welchem ein zur Hydraulik-Fördereinheit 7 hin öffnendes Rückschlagventil 21 parallel geschaltet ist. Der Endanschlag für die Lenkrad-Drehbewegung kann hier durch Schließen des jeweiligen Sperrventils 11 dargestellt werden, wobei für den rechtsseitigen Endanschlag der Lenkrad-Drehbewegung nur das in der Figur linke Sperrventil 11 und für den linksseitigen Endanschlag der Lenkrad-Drehbewegung nur das in der Figur rechte Sperrventil 11 geschlossen werden muss. Mit Hilfe der beiden Rückschlagventile 21 ist es dann einfach möglich, das Lenkrad in der entgegen gesetzten Richtung vom Lenkrad-Endanschlag weg zu verdrehen. Werden mit Abstellen des Fahrzeugs die beiden Sperrventile 11 geschlossen, so ist hiermit vorteilhafterweise eine auf das Lenksystem wirkende Fahrzeug-Diebstahlsicherung realisiert.
Das Ausführungsbeispiel nach 3 ist in vielen Merkmalen demjenigen nach 1 ähnlich; abweichend hiervon ist jedoch dem stromlos geschlos senen Fail-Safe-Ventil 15, welches in seiner Offen-Position die beiden Seiten der nach Art einer Reversierpumpe ausgebildeten Hydraulik-Fördereinheit 7 miteinander verbindet, ein weiteres die beiden Seiten dieser Hydraulik-Fördereinheit 7 verbindendes Ventil 22 im lenkradseitigen Teil 8 des die Rückfallebene bildenden Hydraulikkreises parallel geschaltet, welches bei Abstellen des Fahrzeugs in seine Offen-Position gebracht wird. Da dann die beiden Seiten der Hydraulik-Fördereinehit 7 kurzgeschlossen sind, bewirkt dann ohne Aktivierung des Aktuators 9, 10 ein Verdrehen des Lenkrads 1 keine Verschwenkbewegung der lenkbaren Räder 20, so dass hiermit vorteilhafterweise eine auf das Fahrzeug-Lenksystem wirkende Fahrzeug-Diebstahlsicherung realisiert ist.
Im weiteren auf die Ausführungsbeispiele nach den 4, 5 Bezug nehmend sind dann, wenn das Fail-Safe-Ventil 15 die (figürlich nicht dargestellte) Schaltposition A innehat, die von den beiden Seiten der Hydraulik-Fördereinheit 7 abgehenden Hydraulikleitungen miteinander verbunden, so dass der lenkradseitige Teil 8 des besagten Hydraulikkreises der Rückfallebene quasi kurz geschlossen und daher unwirksam ist. Gleichzeitig ist in der Schaltposition A des Fail-Safe-Ventils 15 das Lenk-Getriebe 19 mit dem Aktuator 9, 10', genauer mit der Hydraulikpumpe 10' desselben über die Hydraulikleitungen 31 verbunden. Die Hydraulikpumpe 10' wird dabei über den Elektromotor 9 durch die elektronische Steuereinheit 17 der Lenkvorgabe des Fahrers an seinem Lenkrad 1 entsprechend angesteuert, d. h. derart, dass die Kolben-Stange 14 des Lenk-Getriebes 19 entsprechend verlagert wird und die lenkbaren Räder 20 der Lenkvorgabe des Fahrers entsprechend verstellt werden.
Sollte jedoch die Rückfallebene benötigt werden weil der Aktuator 9, 10', so bspw. der Elektromotor 9 oder die Hydraulikpumpe 10, ausgefallen sind, so nimmt das Fail-Safe-Ventil 15 selbsttätig die figürlich dargestellte Schaltposition C ein, in welcher der lenkradseitige Teil 8 des Hydraulikkreises und somit die in diesem vorgesehene Hydraulik-Fördereinheit 7 direkt mit dem lenkgetriebeseitigen Teil 12 des Hydraulikkreises und somit mit der Hydraulik-Stelleinheit 13 bzw. dem hiermit identischen Lenk-Getriebe 19 verbunden ist, so dass die lenkbaren Räder 20 direkt unter Einfluss der durch eine Drehbewegung des Lenkrads 1 betätigten Hydraulik-Fördereinheit 7 verschwenkt werden. In dieser Schaltposition C des Fail-Safe-Ventils 15 sind im übrigen die beiden Hydraulikleitungen 31 des dann nicht funktionsfähigen Aktuators 9, 10' wie ersichtlich kurzgeschlossen.
Zurückkommend auf die übliche Schaltposition A des Fail-Safe-Ventils 15 des Lenksystems nach den 4, 5 wird jedenfalls dann, wenn ein selbstverständlich vorhandener, figürlich jedoch nicht gezeigter Endanschlag für die Verschwenkbewegung der lenkbaren Räder 20 noch nicht erreicht ist, dem Fahrer an seinem Lenkrad 1 mittels des hier elektromotorischen Lenkmoment-Simulators 6, der ebenfalls von der elektronischen Steuereinheit 17 angesteuert wird, ein geeignetes Gegenmoment zu dem von ihm aufgebrachten Handmoment oder Lenkmoment gestellt. Da vorliegend zwischen dem Elektromotor des Lenkmoment-Simulators 6 und dem Lenkrad 1 noch ein Untersetzungsgetriebe 5 vorgesehen ist, kann ein sehr kleiner Elektromotor, der lediglich geringe Drehmomente abgeben kann, für den Lenkmoment-Simulator 6 verwendet werden. Aufgrund eines solchen Untersetzungsgetriebes 5 könnte auch ein Endanschlag für die Drehbewegung des Lenkrads 1 durchaus vom genannten Elektromotor unter geeigneter Ansteuerung durch die elektronische Steuereinheit 17 dargestellt werden.
Alternativ oder im Falle eines Defekts des Elektromotors des Lenkmoment-Simulators 6 kann der dem mechanischen Endanschlag für die Verschwenkbewegung der lenkbaren Räder 20 entsprechende Endanschlag der Lenkrad-Drehbewegung und/oder das für den Fahrer am Lenkrad 1 spürbare Gegenmoment auf hydraulischem Wege erzeugt werden, wozu das Fail-Safe-Ventil 15 angesteuert durch die elektronische Steuereinheit 17 in die (figürlich ebenfalls nicht dargestellte) Schaltposition B gebracht wird. In dieser Schaltposition B ist der lenkradseitige Teil 8 des Hydraulikkreises der Rückfallebene mit dem lenkgetriebeseitigen Teil 12 dieses Hydraulikkreises und letzterer zusätzlich mit den Hydraulikleitungen 31 des Aktuators 9, 10' verbunden. Vor Erreichen des besagten Endanschlags kann hiermit für den Fahrer ein stärkeres Moment am Lenkrad 1 spürbar sein. Mit Erreichen des Lenkanschlags, wenn kein weiteres Verschwenken der lenkbaren Räder 20 und somit keine weitere Verlagerung der Kolben-Stange 14 des Lenk-Getriebes 19 mehr möglich ist, wird aufgrund der dann quasi blockierenden Hydraulik-Stelleinheit 13 jegliches Umwälzen von Hydraulikmedium in den beiden Teilen 8, 12 des Hydraulikkreises der Rückfallebene ausgeschlossen. Hierdurch wird ein weiteres Verdrehen des mit der Hydraulik-Fördereinheit 7 drehfest verbundenen Lenkrads 1 zwangsläufig verhindert.
Beim Ausführungsbeispiel nach 5 ist – wie bereits erwähnt wurde – die Hydraulik-Fördereinheit 7 als sog. Gleichgang-Zylinder anstelle einer Reversierpumpe ausgebildet. Ein solcher Gleichgang-Zylinder kann sehr dicht ausgeführt sein, so dass dieser beim Halten einer Kraft keine Leckage aufweist und das Lenkrad 1 somit während einer stationären Kurvenfahrt beim Halten einer Kraft einfach in einem festen Drehwinkel gehalten werden kann. Darüber hinaus kann mit Hilfe eines solchen Gleichgang-Zylinders einfach ein definierter Endanschlag für die Lenkrad-Drehbewegung dargestellt werden, so dass der bereits erläuterte hydraulische Endanschlag oder alternativ ein durch den elektromotorischen Lenkmoment-Simulator 6 erzeugter Lenkrad-Endanschlag nicht benötigt wird.
Beim Ausführungsbeispiel nach 6 ist kein expliziter Lenkmoment-Simulator in Form eines eigenständigen Bauteils vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Lenkmoment-Simulator durch die genannte Rückfallebene gebildet und ist quasi durch den deren besagten Hydraulikkreis 8, 12 realisiert, wobei das diesen aktivierende Fail-Safe-Ventil 15 als sog. Stetigventil, welches beliebige Zwischenpositionen zwischen den in Verbindung mit den 4, 5 erläuterten Schaltpositionen A, B, C einnehmen kann, ausgebildet ist. Somit ist die hydraulische Rückfallebene im regulären Betrieb permanent zugeschaltet und über den auf die Hydraulik-Fördereinheit 7 zurückwirkenden hydraulischen Druck wird das am Lenkrad 1 anliegende Lenkmoment erzeugt. Dieses Lenkmoment repräsentiert somit unmittelbar die hydraulische Druckdifferenz im Lenk-Getriebe 19 bzw. in der (bzw. dessen) Hydraulik-Stelleinheit 13. Um die an der Hydraulik-Fördereinheit 7 anliegende Druckdifferenz modulieren zu können, kann das Fail-Safe-Ventil 15 stetig von der Schaltposition B in die Schaltpsoition A verschoben werden. Dabei ist die Hydraulik-Fördereinheit 7 derart auszulegen bzw. zu dimensionieren, dass in der Schaltposition B des Fail-Safe-Ventils 15 ein höchstes fahrdynamisches Lenkmoment aufgebracht werden kann. Mit einem Übergang in die Schaltposition A nimmt dieses Lenkmoment dann stetig ab.
Das weitere Ausführungsbeispiel nach 7 kann annähernd als eine Kombination der Ausführungsbeispiele nach den 1 und 4 bezeichnet werden, denn bei diesem Ausführungsbeispiel nach 7 wirkt der lenkgetriebeseitige Teil 12 des besagten Hydraulikkreises der hydraulischen Rückfallebene auf eine Hydraulik-Stelleinheit 13 ein, die Bestandteil des Lenk-Getriebes 19 ist. Letzteres ist wie ersichtlich quasi durch eine Parallel-Schaltung eines elektromechanischen Lenkgetriebes mit einer Gewindespindel als quer zur Fahrzeug-Längsachse verschiebbaren Getriebe-Stange 14 und einem mit dieser zusammenwirkendem Kugelgewindetrieb sowie eines hydraulischen Lenkgetriebes gestaltet, bei welchem die Kolbenstange einer Zylinder-Kolbeneinheit als Getriebe-Stange 14 fungiert. Sowohl durch alleinige Beaufschlagung der Zylinder-Kolbeneinheit dieses Lenk-Getriebes 19, welche als Hydraulik-Stelleinheit 13 der besagten Rückfallebene fungiert, al auch durch alleinige Betätigung des auf den elektromechanischen Bestandteil des Lenk-Getriebes, d. h. auf den Kugelgewindetrieb mit der Gewindespindel (14) einwirkenden Aktuators 9, 10 ist die Getriebe-Stange 14 seitlich verschiebbar und es kann damit ein Verschwenken der lenkbaren Räder erzeugt werden. Was die im üblichen Fahrbetrieb erfolgende Ansteuerung des Aktuators 9, 10 betrifft, so gelten für dieses Ausführungsbeispiel nach 7 die obigen Erläuterungen zum Ausführungsbeispiel nach 1 analog; was die bei Aktivierung der Rückfallebene erfolgende Beaufschlagung der Hydraulik-Stelleinheit 13 mit von der Hydraulik-Fördereinheit 7 gefördertem Hydraulikmedium betrifft, so gelten für dieses Ausführungsbeispiel nach 7 die obigen Erläuterungen zum Ausführungsbeispiel nach 4 analog. Ein diesbezüglich geringer hier vorliegender Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 4 liegt in der etwas einfacheren Gestaltung des Fail-Safe-Ventils 15, welches vorliegend (nach 7) analog der Ausführungsform nach 1 gestaltet ist. Analog den ausführlich erläuterten Ausführungsbeispielen nach den 1, 4 wird vorliegend (nach 7) auch der Endanschlag für die Drehbewegung des Lenkrads 1 gebildet.
Während bei den Ausführungsbeispielen nach den 4–6 in der Lenksäule 2 neben dem Drehwinkelsensor 3 zusätzlich ein Drehmomentsensor 4 vorhanden ist, ist bei den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 3 und 7 kein Drehmomentsensor vorgesehen. Aufgrund des dort realisierten Direktantriebs zwischen dem elektromotorischen Lenkmoment-Simulator 6 und dem Lenkrad 1 können keine unerwünschte Einflüsse zwischen diesen beiden Elementen, wie bspw. Reibungseinflüsse oder die Rotationsträgheit eines Zwischengetriebes, auftreten. Somit kann hier anstelle einer Lenkmomentregelung (mit einem dann erforderlichen Lenkmomentsensor zur Erfassung des Lenkmoments) auf eine einfache Stromregelung anhand der Signale des Drehwinkelsensors 4 übergegangen werden, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass dies sowie eine Vielzahl weiterer Details durchaus abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen; so kann beispielsweise beim Ausführungsbeispiel nach 7 für die Hydraulik- Fördereinheit 7 anstelle der Reversierpumpe eine Gleichgang-Zylinder-Kolbeneinheit analog 5 vorgesehen sein.

1: Lenkrad
2: Lenksäule
3: Drehwinkelsensor
4: Drehmomentsensor
5: Untersetzungsgetriebe
6: Lenkmoment-Simulator
7: Hydraulik-Fördereinheit
8: lenkradseitiger Teil eines Hydraulikkreises der Rückfallebene
9: Aktuator: Elektromotor
10, 10': Aktuator: Zwischengetriebe bzw. Hydraulikpumpe
11: Sperrventil
12: lenkgetriebeseitiger Teil des Hydraulikkreises der Rückfallebene
13: Hydraulik-Stelleinheit
14: verschiebbare Stange des Lenk-Getriebes 19
15: Fail-Safe-Ventil
16: Wegsensor
17: elektronische Steuereinheit
18: Spurstange
19: Lenkgetriebe
20: lenkbares Rad (Vorderrad) des Fahrzeugs
21: Rückschlagventil
22: Ventil in 8, dem Ventil 15 parallel geschaltet
31: Hydraulikleitungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19801393 C1 [0001]
- EP 1213205 B1 [0001]
- DE 19838490 A1 [0001]

Claims

Fahrzeug-Lenksystem der by-wire-Bauart ohne mechanischem Durchtrieb zwischen einem Lenkrad (1) (allgemein: einer Lenkhandhabe) des Fahrers und einem eine vom Fahrer über das Lenkrad (1) vorgegebene Verschwenkbewegung zumindest eines lenkbaren Fahrzeug-Rades (20) initiierenden Lenk-Getriebe (19), dem ein mit Signalen aus der Lenkrad-Vorgabe angesteuerter Aktuator (9, 10, 10') vorgeschaltet ist, weiterhin mit einem auf das Lenkrad (1) einwirkenden Lenkmoment-Simulator (6) sowie einer hydraulischen Rückfallebene mit einer an das Lenkrad (1) gekoppelten Hydraulik-Fördereinheit (7) sowie einer an das genannte Lenk-Getriebe (19) gekoppelten Hydraulik-Stelleinheit (13), über welche bei Ausfall des Aktuators (9, 10, 10') durch eine in einem Hydraulikkreis dann wirksam geschaltete hydraulische Verbindung zwischen der Hydraulik-Fördereinheit (7) und der Hydraulik-Stelleinheit (13) ein mit dem Lenkrad (1) vorgegebener Rad-Lenkeinschlag hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endanschlag für die Drehbewegung des Lenkrads (1) (allgemein: für die Verstellbewegung der Lenkhandhabe) durch den Hydraulikkreis realisierbar ist oder realisiert wird, indem bei Erreichen dieser Endanschlag-Position das von der Hydraulik-Fördereinheit (7) geförderte Hydraulik-Medium im Hydraulikkreis im wesentlichen nicht umwälzbar ist.
Fahrzeug-Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektromotorischer Lenkmoment-Simulator (6) nur ein geringes Maximal-Moment in der Größenordnung von 7 bis 10 Newtonmeter bereitstellen kann.
Fahrzeug-Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder von der nach Art einer Reversierpumpe ausgebildeten Hydraulik-Fördereinheit (7) beidseitig abgehenden Hydraulikleitung ein stromlos offenes Sperrventil (11) vorgesehen ist.
Fahrzeug-Lenksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Sperrventil (11) ein zur Hydraulik-Fördereinheit (7) hin öffnendes Rückschlagventil (21) parallel geschaltet ist.
Fahrzeug-Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem stromlos geschlossenen Fail-Safe-Ventil (15), welches in seiner Offen-Position die beiden Seiten der nach Art einer Reversierpumpe ausgebildeten Hydraulik-Fördereinheit (7) miteinander verbindet, ein weiteres die beiden Seiten der Hydraulik-Fördereinheit (7) verbindendes Ventil (22) im Hydraulikkreis parallel geschaltet ist, welches bei Abstellen des Fahrzeugs in seine Offen-Position gebracht wird.
Fahrzeug-Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Signalen aus der Lenkrad-Vorgabe angesteuerte Aktuator (9, 10) als Elektromotor (9) ausgebildet ist, der über ein insbesondere als endloses Zugmittelgetriebe ausgebildetes Zwischengetriebe (10) auf das als Kugelgewindetrieb mit zugeordneter quer zur Fahrzeug-Längsachse verlagerbarer Gewinde-Stange (14) ausgebildete Lenk-Getriebe (19), welches die Verschwenkbewegung der Fahrzeug-Räder (20) initiiert, einwirkt.
Fahrzeug-Lenksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulik-Stelleinheit (13) als hydraulischer Reversiermotor ausgebildet ist und auf das Zwischengetriebe (10) einwirkt.
Fahrzeug-Lenksystem nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Signalen aus der Lenkrad-Vorgabe angesteuerte Aktuator (9, 10') als elektromotorisch angetriebene Hydraulikpumpe (10) ausgebildet ist, die über ein Stellventil (Fail-Safe-Ventil 15) mit dem als Zylinder-Kolbeneinheit mit einer quer zur Fahrzeug-Längsachse verlagerbaren Kolben-Stange (14) ausgebildeten Lenk-Getriebe (19), welches die Verschwenkbewegung der Fahrzeug-Räder (20) initiiert, hydraulisch verbindbar ist.
Fahrzeug-Lenksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die Hydraulik-Stelleinheit (13) durch die genannte Zylinder-Kolbeneinheit mit quer zur Fahrzeuglängsachse verlagerbarer Kolben-Stange (14) gebildet und über das Stellventil (Fail-Safe-Ventil 15) mit der Hydraulik-Fördereinheit (7) hydraulisch verbindbar ist.
Fahrzeug-Lenksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Lenkmoment-Simulator (6) aus einem Elektromotor und einem diesem bezüglich des Lenkrads (1) vorgeschalteten Untersetzungsgetriebe (5) insbesondere in Form eines Planetengetriebes besteht.
Fahrzeug-Lenksystem nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkmoment-Simulator (6) durch die besagte Rückfallebene gebildet und durch den besagten Hydraulikkreis realisiert ist, wobei das diesen aktivierende Fail-Safe-Ventil (15) als Stetigventil ausgebildet ist.